Методы экспериментального определения деформационных и прочностных характеристик материалов и грунтов

Испытание образцов из материалов, содержащих органическое вяжущее (асфальтобетон, дегтебетон, битумогрунты и др.). Прочность на растяжение при изгибе и модуль упругости при температуре от 0 до +20° С определяют по результатам испытаний кратковременно действующими нагрузками образцов-балочек размером 4´4´16 см, изготовленных из смесей, содержащих каменные зерна не крупнее 10 мм. Модуль упругости при повышенных температурах (30-60° С) определяют по результатам испытаний цилиндрических образцов диаметром 20 см и высотой 20 см ±2 см. Характеристики среднезернистых и крупнозернистых асфальтобетонов и дегтебетонов назначают ориентировочно по результатам испытании мелкозернистых асфальтобетонов с гранулометрией соответствующего типа (А, Б, В) и пористых мелкозернистых асфальтобетонов с плотностью такой же, как у среднезернистых и крупнозернистых асфальтобетонов.

При подготовке образцов-балочек смеси приготавливают в соответствии с указаниями ГОСТ «Асфальтобетоны дорожные аэродромные. Методы испытаний» и СП 25-74. Образцы-балочки готовят в стальных формах прямоугольного сечения. В процессе уплотнения асфальтобетонных смесей обеспечивают двустороннее приложение нагрузки с передачей давления на уплотненную смесь через два вкладыша, имеющих возможность свободного передвижения в форме навстречу друг другу.

Конструкция пресс-формы (рис. 23) должна предотвращать возможность перекоса вкладышей по отношению к форме. Готовые образцы-балочки должны посередине иметь плотность не ниже установленной стандартным методом ¹. Образцы готовят следующим образом. Форму и вкладыши нагревают до температуры 90-100° С в протирают тканью, слегка смоченной соляровым маслом или керосином. На нижний вкладыш насаживают форму на глубину 1 см, до упора на поддерживающие пружины или резиновые подкладки. Затем в форму закладывают стальную пластину толщиной 0,5-1,0 мм (поддон для образца). Размеры пластины - длина и ширина - должны соответствовать размеру вкладыша (грани образца). В форму помещают навеску смеси и уплотняют.

¹ Далее эта плотность называется стандартной плотностью.

Рис. 23. Пресс-форма для изготовления образцов-балочек

Для достижения необходимой плотности при минимальном разрушении минеральных зерен рекомендуется сначала уплотнять смеси на виброплощадке, а затем доуплотнять статической нагрузкой. При отсутствии специального оборудования первичное уплотнение производят следующим образом. В подготовленную форму засыпают половину требующейся навески смеси, нагретой до заданной температуры; распределяют смесь и предварительно нагретым стальным стержнем штыкуют ее равномерно по всей длине образца. Общее число ударов - 80 (стальной стержень может быть круглым диаметром 20 мм или иметь квадратное сечение со стороной 20 мм,длина стержня - 20 см). Затем насыпают в форму оставшуюся часть смеси, разравнивают и снова штыкуют таким же образом. В форму вставляют верхний вкладыш, затем устанавливают ее на пресс и выдерживают под статической нагрузкой в течение 3 мин. Уплотняющую нагрузку определяют опытным путем. Ориентировочно она находится в пределах 20-40 МПа для асфальтобетонных (дегтебетонных) смесей и 5-20 МПа - для битумогрунтов.

Готовый уплотненный образец выталкивают из формы специальным выжимным приспособлением, переносят его вместе со стальной пластиной-поддоном к месту хранения до испытания, затем стальной поддон отделяют от образца (в случае необходимости с помощью ножа). Изготовленные образцы до испытания выдерживают при комнатной температуре в течение 12-42 ч. Перед испытаниями проверяют плотность, пористость минерального остова и остаточную пористость образцов.

Из одной и той же смеси должно быть приготовлено шесть образцов, три из них для определения прочности на растяжение при изгибе, три - для установления модуля упругости. Желательно сначала испытать на прочность, с тем, чтобы определить разрушающую нагрузку.

Испытательное устройство для испытания образцов на изгиб и определения модуля упругости должно обеспечивать возможность многократного приложения нагрузки длительностью действия 0,05-0,20 с, с паузами между нагружениями не менее, чем в 10 раз превышающими продолжительность действия нагрузки. Для проведения испытания рекомендуются маятниковый прибор Госдорнии и электромагнитный пульсатор Ленфилиала Союздорнии.

Прибор Госдорнии (рис. 24) представляет собой маятник в виде рычага 4, жестко укрепленный с помощью кронштейна 7 на каркасе из стальных стержней 15 и станины 13. К верхней площадке, каркаса прикреплен механизм нагружения 8, а на средней площадке каркаса размещены подвижная 10 и неподвижная 14 опоры под образец-балочку 9.

Рычаг 4 с грузом приводится в верхнее исходное положение, фиксируемое указателем 11, и свободно отпускается. Его вращение относительно оси 3 под действием собственного веса обеспечивает перемещение сферической поверхности эксцентрика 2, связанного с резьбовым валиком 5, по поверхности головки механизма нагружения 8, включая его в работу. Это создает на образец 9 кратковременно приложенную нагрузку заданной длительности. Необходимая длительность нагружения (0,1 с) обеспечивается длиной контакта между эксцентриками и головкой механизма нагружения и задается выдвижением регулировочной гайки 2 вдоль резьбового валика 5 на 2 мм.

Принцип действия механизма нагружения следующий (рис. 25). Сферическая часть эксцентрика 1, перемещаясь по поверхности головки 2 механизма нагружения, обеспечивает вертикальное перемещение самой головки втулки 4 внутри направляющей втулки 3. В свою очередь, втулка 4 через шайбу 6 сжимает пружину 8, опирающуюся на гайку 9, навинченную на толкатель 7. Свободно перемещаясь внутри втулки 4, толкатель под действием пружины передает усилие через регулировочный винт 11 и нагрузочный штамп 12 образцу 13 посередине пролета штамп распределяет нагрузку по всей ширине образца. Нагрузка на образец зависит от жесткости пружины 8 и регулируется ее сжатием с помощью перемещения гайки 9 вдоль резьбовой части толкателя 7. Для определения размера нагрузки используют тарировочный график пружины - экспериментально установленную зависимость между нагрузкой и длиной сжатой пружины.

Рис. 24. Маятниковый прибор

Для создания требуемой нагрузки сжимают пружину 8 с помощью гайки 9 на необходимое значение в зависимости от требуемой нагрузки и фиксируют контргайкой 10. Далее нагрузочный механизм устанавливают так, чтобы нагрузочный штамп находился на середине пролета балочки. Затем поворачивают рычаг, устанавливая при этом стрелку указателя в нулевое положение (резьбовой валик должен принять строго вертикальное положение). С помощью регулировочного винта 11 поднимают через толкатель 7 и втулку 4 головку 2 до соприкосновения с регулировочной гайкой 1, предварительно установленной в верхнее положение. Поворотом рычага регулировочную гайку выводят из соприкосновения с головкой и выдвигают ее на 2 мм для обеспечения длительности действия нагрузки в 0,1 с. Затем маятниковое устройство устанавливают в исходное положение (15-10° по указателю положения) и фиксируют. Для загружения образца освобождают зафиксированное маятниковое устройство.

Электромагнитный пульсатор Ленфилиала Союздорнии (рис. 26) представляет собой цилиндрический корпус 3 электромагнита, который вместе с помещенной в нем проволочной катушкой четырьмя стойками жестко прикреплен затяжными гайками к станине 5. В осевое отверстие корпуса вставлен шток, сочлененный с якорем электромагнита. При пропуске по катушке магнита электрического тока возникает электромагнитная сила, притягивающая подвижной якорь 2 к жестко закрепленному на станине корпусу электромагнита. Через шток усилие от электромагнита передается на испытуемый образец 4. Это усилие зависит от зазора между якорем и корпусом магнита. Необходимый зазор между диском якоря и корпусом устанавливают с помощью каркаса из двух опорных колец 1.

Нижнее кольцо сочленено резьбой с корпусом электромагнита, якорь магнита двумя пружинами прижимается к верхнему опорному кольцу, которое, таким образом, служит упором, ограничивающим и фиксирующим вертикальное перемещение якоря в момент разгрузки. Размер воздушного зазора регулируют вращением каркаса опорных колец по резьбе вокруг корпуса магнита. Снизу на шток якоря навинчен на резьбе специальный наконечник для того, чтобы ликвидировать имеющийся или образующийся в процессе проведения испытании зазор между штоком якоря и образцом.

Рис. 25. Механизмы нагружения

Установка питается переменным током общей сети, поэтому в электрическую схему введен стабилизатор напряжения и выпрямитель. Продолжительность действия нагрузок - 0,1 с, интервал между ними 1 с обеспечивается электромеханическим прерывателем электрического тока.

Создаваемую электромагнитную нагрузку в зависимости от зазора между якорем и корпусом магнита тарируют и проверяют механическими динамометрами ДОСМ-3, ДОСМ-5. Для этого динамометр устанавливают на станине прибора до и после испытании таким образом, чтобы усилие or штока якоря передавалось на него так же, как и на испытуемый образец.

Измерение нагрузок и деформаций аппаратурой с фиксацией сигналов невооруженным глазом (механические динамометры, индикаторы часового типа и др.) допускается при времени действия нагрузки не менее 0,1 с; при более кратковременных нагружениях используют аппаратуру с записью сигналов па осциллографах.

Перемещения при кратковременном нагружении можно фиксировать тоже индикатором часового типа, снабженным винтом на его втулке. Поворотом этого винта создают трение между стержнем и втулкой, обеспечивают остановку стрелки индикатора при удалении нагрузки в том положении, и котором эта стрелка находилась в момент возникновения наибольшего перемещения (первый отсчет по индикатору). Затем стержень индикатора подводят вручную до соприкосновения с нижней гранью балочки и снимают второй отсчет по индикатору. По разности отсчетов вычисляют обратимое перемещение.

Нагрузка должна вызвать напряжение, равное расчетному допускаемому, для ближайшего аналога испытуемому материалу. Она может быть также принята равной 0,2-0,3 от разрушающей нагрузки, установленной ранее испытанием образцов на прочность.

Перед испытанием образцы выдерживают в течение 2 ч при заданной температуре, которую поддерживают и в процессе испытаний.

Образцы боковой гранью укладывают на две опоры, удаленные друг от друга на расстояние 14 см. Одна из опор - подвижная, в виде шарнира, в частности, в виде шарнира-стойки. Часть опоры, соприкасающаяся с образцом, имеет цилиндрическую поверхность радиусом 5 мм. Нагрузку прикладывают к середине образца через стальную накладку с нижней цилиндрической (радиусом 10 мм) или плоской (шириной порядка 8 мм) поверхностью. Для удобства центровки образца около опор целесообразно устанавливать опоры, фиксирующие положение образца относительно опор, а подушку, передающую нагрузку па образец, связать с опорной станиной с помощью рычага и стойки.

Вертикальный прогиб образца измеряют с помощью устройства, позволяющего из фиксируемого индикатором вертикального смещения исключать локальные деформации материалов на опорах (смятие).

Устройство представляет собой навесную рамку, закрепляемую в местах предполагаемой нейтральной линии изгиба (посередине высоты балочки) над опорами или же на торцах образца.

Рис. 26. прибор для испытаний образцов-балочек на изгиб повторными кратковременными нагрузками

Рис. 27. Схемы для учета смятия балочки на опорах при испытании ее на изгиб

а - для общего вертикального перемещения середины балочки; б - для вертикального перемещения от смятия балочки на опорах

Подготовленный к испытанию образец нагружают, при этом фиксируют упругий прогиб. Для определения кратковременного модуля упругости используют значение упругого прогиба, измеренного после 10-30 циклов предварительных повторных уплотняющих нагружений. Модуль упругости лабораторный

Е_л = К_lК_tPl³/(48fJ), (30)

где К_l, Кt - поправки, определяемые ниже по формулам (31) и (32);

Р - вертикальная нагрузка;

l - расчетный пролет балочки (0,14 м);

f - упругий прогиб балочки;

J - момент инерции сечения образца (J = bh³/12, а b, h ширина и высота балочки).

Если навесная рамка измерительного устройства закреплена на торцах образца длиной L, в расчеты по формуле (30) вводится поправка:

К_l = (3L - l)/(2t), (31)

При испытании с продолжительностью нагруженbя t_п, отличающейся от расчетной t_р = 0,1 с, в расчеты по формуле (30) следует ввести поправку

К_t . (32)

Для определения кратковременного модуля упругости испытывают, как указывалось, не менее трех образцов. За значение модуля упругости принимают среднее арифметическое. Расхождения между данными параллельных испытаний не должны превышать 15 %.

Если нет навесной рамки измерительного устройства, то упругое обмятие деформируемого образца на опорах и упругую податливость опор учитывают следующим образом. После испытания на изгиб (рис. 27) и измерения общего вертикального смещения f_изм низа образца, обусловленного не только изгибом, но и упругим обмятием образца в зонах контакта с опорами, податливостью опорных стоек и т.д., проводят дополнительное испытание. Поверх балочки на двух опорах укладывают достаточно жесткую стальную пластинку и нагружают ее той же силой Р; при этом асфальтобетонная балочка не изгибается, а только обратимо смещается в вертикальном направлении относительно опорной станины. Это дополнительное смещение f_доп тоже фиксируют индикатором. Расчетный упругий прогиб f = f_изм - f_доп.

Способ подготовки образцов к испытанию на прочность по растяжению при изгибе и схема их нагружения те же, что и при испытании с целью определения модуля упругости. Образцы испытывают на механическом прессе УММ-5 со скоростью деформирования 100 мм/мин при расчетной температуре асфальтобетона. Разрушающую нагрузку Р_р измеряют силоизмерительным устройством, обеспечивающим точность отсчета до 5 %, в частности, механическим динамометром ДОСМ-5 или ДОСМ-3, закрепляемым в верхнем захвате пресса.

При изгибе однократным нагружением лабораторный предел прочности на растяжение:

R_изг.л = 3Р_рl/(2bh²). (33)

Испытывают не менее трех образцов. За нормативное принимают среднее арифметическое значение показателя.

Для определения модуля упругости при повышенных температурах, т. е. от +30 до +60° С, смесь приготавливают в соответствии с требованиями стандартных методик. Цилиндрические образцы изготавливают в стальной форме диаметром 20 см и высотой не менее 28 см. Форма состоит из отдельных колец, верхнее из которых служит для размещения в форме всего заданного объема материала в рыхлом состоянии и снимается после прессовки.

Смесь послойно укладывают в форму, тщательно штыкуют и затем уплотняют на 150-тонном гидравлическом прессе. Нагрузку подбирают, чтобы плотность асфальтобетона, контролируемая по толщине уплотненного слоя, была стандартной, т.е. уплотняющая нагрузка при формовке образцов ориентировочно должна находиться в пределах 5-15 МПа для грунтовых смесей, 15-25 МПа для песчаных и мелкозернистых смесей и до 40 МПа для среднезернистых и крупнозернистых смесей.

Образцы испытывают через 12-42 ч после изготовления и не ранее, чем через 4 ч после их выдерживания в термокамере при заданной температуре. Испытывают в термокамере или в лабораторном помещении, поддерживая температуру образца электрообогревателями. Нагрузку на образец от рычажного пресса передают через стальной штамп D = 4 см; деформации измеряют индикаторами часового типа (рис. 28). Жесткость крепления индикаторов проверяют легким постукиванием металлическим предметом по краю формы; стрелки индикаторов должны чуть заметно дрожать, но после прекращения постукивания возвращаться в свое первоначальное положение. Постукивать по форме следует также и в процессе испытания перед снятием с индикаторов рабочих отсчетов.

Образец испытывают дважды при нагрузке р = 0,5 МПа с длительностью действия 5 и 300 с (5 мин); продолжительность действия нагрузки и отдыха после разгрузки принимают одинаковой. Показания индикаторов снимают в конце нагружения и в конце отдыха, а затем по разности отсчетом рассчитывают обратимое вертикальное перемещение (в сантиметрах) штампа f.

Модули упругости (в мегапаскалях)

E_л = pрD(1 - m²)/(4f) » 14,7/f, (34)

где m - коэффициент Пуассона;

D - диаметр штампа.

Располагая значениями модуля упругости асфальтобетона, полученными в результате испытания моделей в лаборатории при продолжительности действия нагрузки 5 с (Е₅) и 300 с (Е₃₀₀), определяют модуль упругости Е_л этого материала, работающего в условиях, близких к натурным:

Е_л = /Е₃₀₀. (35)

Рис. 28. Схема установки штампа и индикаторов при определении модуля упругости материала на рычажном прессе:

1 - индикаторы часового типа; 2 - штамп с заплечиками; 3 - форма с образцом

Эта формула учитывает различие в процессах формировании материала, в сопротивлении его деформированию, а также в режимах нагружения в лабораториях и натуре.

Испытание образцов из материалов, содержащих неорганическое вяжущее. К таким материалам относятся цемент, известь, гранулированный шлак, зола-уноса и др. Сопротивление растяжению при изгибе и модуль упругости грунтов и материалов, укрепленных неорганическим вяжущим, определяют на образцах-балочках, которые изготавливают и хранят до испытаний по стандартной методике. Для каждого вида испытаний готовят по три образца. Образцы в зависимости от размера испытывают на прессах рычажных, гидравлических или с механической подачей поршня, способных передавать нагрузку 5-10 кН. Точность отсчета показаний силоизмерительного устройства пресса до 5 %.

Прессы для испытаний образцов-балочек должны быть оборудованы дополнительными приспособлениями - специальными столами (подставками) или траверсами, несущими на себе цилиндрические опоры для балочек, при этом одна из опор должна быть подвижной. Радиус закругления опорных поверхностей должен быть в пределах 10-15 мм. В подставке имеется отверстие для крепления индикатора часового типа (см. рис. 27).

Испытываемый образец после извлечения из воды вытирают мягкой тканью и помещают на две опоры подставки, расстояние между которыми равно 14 см для балочек размером 4´4´16 см и 30 см для балочек размером 10´10´40 см. Образец устанавливают на опоры той гранью, которая при изготовлении образца была вертикальной. Поверхность балочки должна прилегать к опорам плотно по всей ширине. Образец нагружают посередине пролета на всю ширину балочки. Под образец помещают прикрепленный к подставке индикатор часового типа для определения вертикального смещения (прогиба). После установки образца приступают к испытанию. Скорость нагружения образцов должна составлять 2-4 мм/мин.

Предел прочности на растяжение при изгибе вычисляют по формуле (33), как среднее арифметическое результатов испытаний трех образцов; расхождение между результатами отдельных испытаний не должно превышать 15 %. Ориентировочные значения предела прочности на растяжение при изгибе можно получить по результатам испытания цилиндрических образцов на растяжение R_раск при расколе. В этом случае предел прочности на растяжение при изгибе

R_изг.л @ 2 R_раск. (36)

При определении модуля упругости образец нагружают ступенями, с разгрузкой после каждой ступени. Значение ступени нагрузки выбирают так, чтобы иметь три - пять ступеней в процессе испытания. Вертикальный прогиб f_сумм балочки измеряют индикатором часового тина. Время действия каждой ступени нагрузки 1 мин, разгрузки 30 с. Для исключения местного упругого смятия образца в зоне его контакта с опорами испытания производят по схеме рис. 27.

Модуль упругости определяют при нагрузке 0,5-0,7 от разрушающей нагрузки по формуле (30) при К_t = 1,0.

С помощью одного и того же образца-оболочки можно одновременно с определением модуля упругости найти предел прочности на растяжение при изгибе. В этом случае испытывают ступенчато-возрастающей нагрузкой до разрушения балочки. Ступень нагрузки DР назначают в зависимости от предельной нагрузки Р_пр, при которой фиксируется разрушение, исходя из условия DР £ 0,1 Р_пр.

За расчетную разрушающую нагрузку Р_р принимают разность между предельной нагрузкой, при которой зафиксировано разрушение данной балочки, и половиной последней ступени DР.

Определение значений характеристик монолитных материалов по данным лабораторных испытаний. Расчетное значение модуля упругости

Е_р = К_к×Е_л, (37)

где К_к - коэффициент, учитывающий изменение модуля упругости материала и конструктивном слое в процессе эксплуатации дороги.

Модули упругости слоев из монолитных материалов могут уменьшаться в результате образования трещин и водо-морозных воздействий и возрастать в результате длительных и многолетних физико-химических изменений вяжущих веществ. Для асфальтобетона трещинообразование не допускается, что же касается возможного снижения жесткости от водо-морозных воздействий, то они в большей или меньшей мере компенсируются повышением жесткости вяжущего. Поэтому для асфальтобетонов следует принимать К_к = 1. Для материалов и грунтов, укрепленных цементом, находящихся в конструктивных слоях дорожной одежды, характерно образование трещин и пространственная неоднородность. Ориентировочные значения коэффициента К_к с учетом укрепляемых неорганическими вяжущими материалов или грунтов следующие:

Подобранная щебеночная (гравийная) смесь	0,1
Малопрочный каменный материал, отходы камнедробления и смеси с супесью или песком	0,06
Легкая супесь, разнозернистые пески	0,05
Пылеватая супесь, суглинок	0,04

Коэффициент К_к необходимо уточнять по мере накопления данных испытаний.

Сопротивление растяжению при изгибе

R_изг = R_изг.лК_рК_кпК_т; (38)

где K_р - коэффициент, учитывающий снижение прочности материала в конструкции от водо-морозных воздействий. Для асфальтобетонов его принимают равным коэффициенту длительной водоустойчивости, а для материалов и грунтов, укрепленных неорганическими вяжущими, равным коэффициенту морозостойкости;

К_кп - коэффициент, учитывающий кратковременность и повторность нагружения на дороге ¹;

¹ При установлении табличных значений (см. табл. 12 и 16) расчетного сопротивления растяжению при изгибе были приняты коэффициенты: 1) К_р - в соответствии со стандартными требованиями, предъявляемыми к асфальтобетону, к материалам и грунтам, укрепленным неорганическими вяжущими; 2) К_кп - при интенсивности движения по дороге N = 1000 авт./сут для теплого и высокопористого асфальтобетона при К_кп = N^-m = 0,155, для горячего асфальтобетона при К_кп = 0,33, для материалов и грунтов, укрепленных цементом, при К_кп = 0,66.

К_т - коэффициент, учитывающий снижение прочности материала в конструкции в результате температурно-усадочных воздействий. Принимая во внимание малое число данных натурных наблюдении, для асфальтобетонов с учетом релаксации длительно действующих температурно-усадочных напряжений К_т = 1,0, для укрепленных неорганическими вяжущими каменных материалов К_т = 0,9, а для связных грунтов К_т = 0,8;

m - показатель усталостной зависимости. Для теплого (плотного и пористого) и высокопористого асфальтобетона m = 0,27, для горячего (плотного и пористого) асфальтобетона m = 0,16, а для материалов и грунтов, укрепленных цементом, m = 0,06;

N - интенсивность воздействия нагрузок от расчетных автомобилей, ед./сут, по одной полосе.

В связи с недостаточной изученностью вопроса методы определения значений характеристик монолитных материалов по данным лабораторных испытаний следует рассматривать как приближенные.

Определение модуля упругости грунтов и материалов в натурных условиях. Испытания проводят на реальных конструкциях, имеющихся на дорогах или создаваемых в натурном масштабе на полигонах и в грунтовых каналах. Модули упругости грунтов земляного полотна и неукрепленных каменных материалов слоев оснований определяют испытанием местным нагружением. Нагрузку на испытуемую конструкцию передают через круглый жесткий штамп с диаметром, близким к размеру усредненного следа колеса расчетного автомобиля (30 см £ D £ 34 см). Конструкции со слоями из монолитных или плотных слабосвязных материалов допускается испытывать с помощью сдвоенного пневматического колеса с профилем обода 203В, 216В, 228В.

Наиболее точно модуль упругости грунта или материала устанавливают на однородной полупространственной конструкции, устроенной путем послойной укладки и уплотнения грунта или материалов при общей толщине не менее 40. В этом случае модуль упругости вычисляют непосредственно по результатам испытания.

Модули упругости материалов слоев основания меньшей толщины определяют по результатам послойных штамповых испытаний. При испытании штампом, установленным на поверхности испытуемого слоя, определяют общий модуль Е_общ упругости конструкции, а при установке штампа на нижележащие слои Е₂, затем по номограммам (рис. 29 и 30 на вкладке рис.) рассчитывают модуль упругости испытуемого слоя.

Послойно следует испытывать конструкции с основанием, имеющим не больше двух слоев.

Грунты и слои одежды в испытуемой конструкции должны быть уложены в соответствии с действующими правилами производства и приемки работ; они должны быть во всем массиве однородными по зерновому (гранулометрическому) составу, по показателям плотности и влажности. При этих условиях испытания можно проводить на дорогах после устройства и приемки земляного полотна и основания (до укладки покрытия), а также в процессе эксплуатации дороги при наличии достоверной информации об условиях ее строительства.

Получаемые в этих случаях данные испытания относятся к состоянию конструкции в момент проведения испытания, обычно при влажности грунта и материалов основания меньше расчетной. Для того чтобы установить значения модулей упругости, соответствующие расчетному периоду (см. приложение 5), испытания следует приурочить к соответствующему моменту времени - весной, после дождей или специального увлажнения конструкции. В период испытания влажность связных грунтов должна соответствовать расчетной (см. приложение 2); влажность каменных материалов, в которых содержатся пли образуются при уплотнении пластичные мелкие фракции (мельче 0,63 мм), должна быть не менее расчетного значения.

W_р = К_kmW_т + (1 - m)W_к, (40)

где К_k - коэффициент, зависящий от климатических условий и принимаемый для II дорожно-климатической зоны, равным 0,8, для III - 0,75, IV-0,7 и V-0,6;

m - содержание в смеси фракций мельче 0,63 мм, в долях от единицы;

W_т - предел текучести этих мелких фракций, %;

W_к - водопоглощение щебня (гравия), % по массе.

Рис. 31. Схема установки для штамповых испытаний дорожной одежды

Модуль упругости конструкции определяют испытаниями с помощью установки (рис. 31). Нагрузка па поверхность испытуемой конструкции передается через круглый жесткий штамп 6 и домкрат 4, упираемый в раму 2, груженого автомобиля или упорную балку пресс-рамы на грунтовом канале. Нагрузку на штамп измеряют с помощью механического динамометра 3. Вертикальное перемещение штампа фиксируют прогибомером рычажного типа, измерительный стержень которого 1 устанавливают в центре штампа. В этом случае домкрат на трех опорных стойках 5 устанавливают на штампе соосно. Вертикальное перемещение штампа можно также замерять двумя индикаторами часового типа, установленными вдоль диаметра штампа на равных расстояниях от его центра. Индикаторы надежно закрепляют на жесткой реперной балке, опоры которой должны быть удалены на расстояние не менее, чем 4D от штампа и колес испытательного автомобиля. Расчетное перемещение принимают равным полусумме отсчетов по этим индикаторам.

До испытания передние колеса автомобиля блокируют тормозами и жестко закрепляют на месте с помощью опорных башмаков.

При испытаниях автомобилем средней грузоподъемности для обеспечения испытательной нагрузки до 50 кН кузов и подрессоренную часть автомобиля «взвешивают» - приподнимают с помощью домкрата и под раму рядом с задним мостом подставляют опоры, на которые после разгрузки домкрата передается вес автомобиля. Расстояние между опорами и местом испытания должно быть не менее 1,5 м. При большом числе испытании желательно, чтобы рессоры автомобиля были блокированы. Штамп устанавливают на испытуемый слои после тщательного выравнивания его поверхности тонким слоем (1-5 мм) из мелкого песка без нарушения сложившейся структуры материала и тщательно притирают. Затем конструкцию выдерживают под максимальной испытательной нагрузкой в течение 2 мин и разгружают.

Перед испытанием проверяют жесткость установки индикаторов и устойчивость измерительной системы. Для этого слегка постукивают металлическим предметом по швеллеру прогибомера или по опорной балке и следят за стрелкой индикатора, которая должна чуть заметно дрожать, но оставаться на одном и том же делении.

Нагрузку при испытании прикладывают ступенями до максимального расчетного значения: 0,5 МПа па поверхности основания, 0,2 МПа на подстилающих слоях и песках и 0,5-1 МПа на связных грунтах земляного полотна (большие значения - при влажности грунта менее 0,7W_т); всего должно быть не менее 3-5 ступеней. Время выдерживания нагрузки 30 с и паузы после разгрузки по 30 с, время, затрачиваемое на нагружения и разгрузку, 10-20 с.

Отсчеты по индикаторам снимают после выдерживания заданной ступени нагрузки, а также после паузы, следующей за разгрузкой; перед снятием отсчетов повторно легко постукивают по швеллеру прогибомера (или опорной балке).

По разности отсчетов определяют упругую деформацию конструкции. На основании таких данных строят график зависимости упругой деформации от удельной нагрузки. График должен представлять собой плавную кривую без точек перегиба, выпуклую вверх - для зернистых материалов и вниз - для связных грунтов; при испытании слоистой конструкции из зернистых материалов и связных грунтов зависимость обычно близка к линейной. Если график не соответствует этому, то, по всей вероятности, испытание проведено с дефектом, а его данные требуют более тщательной проверки.

Модуль упругости грунта или материала в однородной конструкции, а также общий, модуль упругости слоистой конструкции, испытанных нагружением с помощью жесткого штампа

Е_у = 0,25pрD(1 - m²)/l, (41)

где р - максимальное (расчетное) давление от штампа;

D - диаметр жесткого штампа;

m - коэффициент Пуассона (для грунтов земляного полотна m = 0,35, для материалов оснований m = 0,25, а при вычислении общего модуля упругости m = 0,3);

l - упругая деформация, соответствующая этой нагрузке. Для дорожной одежды, испытанной с помощью сдвоенного колеса автомобиля, общий модуль упругости

Е_у = (1 - m²)Р/(0,4plD), (42)

где Р - общая нагрузка на колесо;

l - упругий прогиб конструкции между баллонами колеса;

D - диаметр условного круглого, гибкого штампа, передающего нагрузку на покрытие, равный 0,33 м.

При послойных испытаниях после определения общего модуля упругости в месте установки жесткого штампа удаляют материал испытуемого слоя на площадке размерами не менее трех диаметров, штампа и затем определяют модуль упругости подстилающих грунтов и материалов.

Послойно можно испытывать в узком шурфе, пробиваемом на ширину штампа. Это допустимо на конструкциях с ограниченными толщинами слоев; для несущей части основания - от 0,5 D до 1,0 D, а для дополнительного слоя основания - от 1,0 D до 2 D. В этом случае полученные испытаниями модули упругости подстилающих слоев следует уменьшить на 20 % при установке штампа на связные грунты с повышенной влажностью (более 0,8 W_т) или на рыхлые (одноразмерные) и пылеватые пески с объемной массой скелета менее 1,8 г/см³, или же на 10 % - при установке штампа на связные грунты с влажностью 0,7 W_т £ W £ 0,8 W_т или на плотные пески. При установке штампа в шурфе на слоях из щебеночных, гравийных, гравийно-песчаных и других плотных смесей и на связных грунтах с влажностью менее 0,7 W_т эта поправка не вводится.

Испытывать штампом щебеночные и гравийные основания можно при нагрузках менее 0,5 МПа, определяя модуль упругости при расчетной нагрузке путем экстраполяции. В частности, определив модуль упругости слоя основания Е₂ при испытательных нагрузках 0,2 МПа и Е₃ при 0,3 МПа модуль для расчетной нагрузки (р = 0,5 МПа)

Е₅ = 2,261gE₃ - 1,261gЕ₂, (43)

По данным трех испытаний, проведенных через 10-15 м на дороге и через 1-2 м - в канале, определяют среднее арифметическое значение модуля упругости грунта или слоя; разброс отдельных показателей не должен превышать 20 %.

Определение модуля упругости грунта в лаборатории. Расчетные значения модулей упругости грунта можно получить по результатам испытания грунта в лаборатории при той же влажности и плотности, которые он будет иметь в дорожной конструкции в расчетный период. Так как отобрать образцы с ненарушенным сложением из конструкции в расчетный период весьма затруднительно, а при новом строительстве невозможно, приходится искусственно приготавливать образцы, обладающие требуемой влажностью и плотностью. Как показывают результаты сравнительных испытаний, разница в модулях упругости, определенных в конструкции и в лаборатории для грунтов при одной и той же влажности и плотности; в большинстве случаев невелика. Расчетная влажность грунтов при приготовлении образцов (если для данных местных условии отсутствуют более достоверные ее значения) может быть определена по приложению 2.

Плотность грунта зависит от принятой расчетной влажности. При влажности, близкой к оптимальной, определенной методом стандартного уплотнения (около 0,65-0,70 от границы текучести), и более низкой, за расчетный коэффициент плотности грунта в верхней части земляного полотна следует принимать в дорожно-климатических зонах II-III К_у = 0,98¸1,02; в зонах IV-V К_у = 0,95¸0,98 (большие значения коэффициентов уплотнения принимают для капитальных дорожных одежд, меньшие - для облегченных и переходных).

При более высоких расчетных влажностях плотность образцов грунта устанавливают, исходя из условия, чтобы в порах скелета разместилась вся вода и защемленный воздух. В этом случае плотность скелета грунта:

g_ск = g(1 - V)/1 + (Wg/g_в), (44)

где g - плотность минеральной части, принимаемая в среднем для непластичных грунтов 2,65 т/м³ и для пластичных - 2,68 т/м³;

V - объем защемленного в порах воздуха, в долях единицы (обычно 0,05 - для пластичных и 0,08 - для непластичных грунтов);

W - весовая влажность, в долях единицы;

g_в - плотность воды, принимаемая равной 1 т/м³.

Образцы грунта приготавливают с послойным уплотнением в стальной цилиндрической форме, диаметр которой должен быть не менее четырех, а высота - не менее трех диаметров D штампа. Так как грунт испытывают штампом D = 4¸5 см, диаметр формы должен быть 15-20 см, а высота - 15 см.

Когда расчетная влажность образца не превышает значительно оптимальную, образец приготавливают при расчетной влажности и требуемой плотности. В этом случае необходимое количество (по массе) равномерно увлажненного грунта укладывают в форму в три-четыре приема, обычно равными порциями. Каждый слой уплотняют металлической трамбовкой до требуемого по расчету объема. Образовавшуюся на поверхности каждого слоя переуплотненную корку разрыхляют, затем укладывают и уплотняют следующую порцию грунта, и так до заполнения всей формы. Образец изготавливают на 2 см выше поверхности формы, для чего к форме с помощью фланцев крепят надставку, разрезанную по образующей (рис. 32). Перед испытанием надставку снимают, а излишек грунта аккуратно срезают заподлицо с поверхностью формы. Этим обеспечивают гладкую однородную поверхность образца, на которую устанавливают штамп при испытании.

Уплотненный в форме грунт вместе с надставкой помещают не менее, чем на сутки во влажный эксикатор для более равномерного распределения влаги. Только после этого образец испытывают.

Рис. 32. Форма со съемной надставкой:

1 - надставка; 2 - форма: 3 - днище с отверстиями; 4 - патрубок

Когда расчетная влажность грунта значительно выше оптимальной, образцы для испытания приготавливают, насыщая водой предварительно уплотненный до требуемой плотности грунт. Для этого металлическая форма должна иметь второе дно с отверстиями диаметром 0,5- 1 мм (см. рис. 32). В образующуюся полость вставляют два патрубка, к которым крепят резиновые трубки. Грунт укладывают в форму (поверх уложенной на дно с отверстиями фильтровальной бумаги) и уплотняют послойно до плотности скелета, вычисленной по формуле (44). Особенно тщательно нужно разрыхлять поверхность каждого слоя на глубину около 5 мм, чтобы разрушить образовавшуюся переуплотненную корку. В противном случае не будет достигнут равномерное по высоте насыщение образца водой. Для насыщения на один патрубок надевают резиновый шланг от резервуара с водой, устанавливаемого так, чтобы уровень воды находился на 20-50 см выше поверхности грунта в форме. На другой патрубок надевают шланг, прикрепленный к установленной вертикально стеклянной трубке. При этом нужно следить, чтобы между поверхностью воды в полости формы и дном с отверстиями не образовалась воздушная подушка.

Образец насыщают до полного заполнения пор водой, что определяют периодическим взвешиванием формы с грунтом. Для насыщения требуется 2-5 сут.

По окончании насыщения на шланги ставят зажимы, шланги отключают от источников питания водой, помещают форму с грунтом на сутки во влажный эксикатор, после чего образец испытывают на рычажном прессе. Нагрузку прикладывают через штамп, помещаемый в центре образца. Штамп имеет расположенные по диаметру заплечики, на которые устанавливают ножки индикаторов для замера вертикальных перемещений штампа (см. рис. 28). Перемещение центра штампа принимают равным полусумме отсчетов по индикаторам. Держатели индикаторов укрепляют на фасонных пластинках, привинченных к фланцу формы.

Нагружают ступенями с разгрузкой после каждой ступени. Каждую ступень нагрузки выдерживают до затухания деформации (разница отсчетов по индикаторам - не более 0,01 мм за 5 мин). После того как зафиксирован отсчет по индикаторам, штамп разгружают и ожидают восстановления деформации (допуск тот же, что и при нагружении). Затем нагружают следующей ступенью, и так до достижения нагрузки, при которой начинают интенсивно развиваться пластические смещения в толще массива. Это обычно сопровождается значительным увеличением остаточной деформации. Ступени нагрузки выбирают такими, чтобы иметь три - пять ступеней в процессе испытания.

На основе полученных значений обратимой деформации при каждой ступени нагрузки строят график зависимости упругой деформации грунта от давления по подошве штампа и по формуле (41) вычисляют модуль упругости при каждой ступени нагрузки.

При испытании связных грунтов высокой влажности следует давать пригрузку вокруг штампа. Во избежание больших ошибок нельзя испытывать в лаборатории малыми штампами образцы слабосвязных зернистых материалов (гравий, щебень). Такие материалы следует испытывать штампами диаметром 25-35 см. При каждом значении влажности и плотности грунта должно быть испытано не менее шести образцов.

Определение характеристик сопротивления грунтов и материалов сдвигу в лабораторных условиях. Поскольку в основу расчета грунтовых оснований и слоев из слабосвязных материалов положена обобщенная теория прочности Мора, за расчетные принимают характеристики, определяемые касательной (огибающей) и построенным па основе испытаний исследуемого материала предельным кругам Мора (рис. 33). Наклон касательной к предельным кругам дает угол внутреннего трения в исследуемом грунте или материале, а отрезок, отсекаемый касательной на вертикальной оси, - сцепление.

Испытания для построения предельных кругов Мора могут быть проведены на приборах трехосного сжатия, а также на приборах, обеспечивающих сдвиг в данной плоскости (плоский сдвиг). Испытания на приборах трехосного сжатия предпочтительнее, так как дают более надежные данные. При испытании па приборах, обеспечивающих сдвиг в заданной плоскости, возможна некоторая погрешность, для исключения которой необходимо применять специальные методики обработки результатов. Целесообразны параллельные испытания па приборах трехосного сжатия (контрольные) и па приборах плоского сдвига. Опыт показывает, что в подавляющем большинстве случаев результаты испытаний на приборах трехосного сжатия и приборах плоского сдвига не различаются сколько-нибудь существенно.

Для получения расчетных характеристик сопротивления грунтов и материалов сдвигу образцы испытывают при влажности и плотности, соответствующих состоянию грунтов и материалов в расчетный период. После каждого испытания проводят контрольные определения влажности и плотности испытанных образцов и при выявлении отклонений от заданных значений корректируют результаты испытании или выбраковывают их.

Рекомендуются испытания на приборах с автоматической регистрацией нагрузок и деформаций.

Целесообразны испытания, в которых разрушение образца наступает через 3-5 мин.

Для испытания образцов грунтов и материалов в условиях трехосного напряженного состояния существует большое число приборов. Для каждого из них разработана подробная методика испытания с учетом особенностей конструкции прибора. Поэтому здесь даются лишь общие рекомендации, которые следует учитывать при испытаниях, чтобы получить расчетные характеристики, используемые при проектировании дорожных одежд.

Испытывают цилиндрические образцы с отношением диаметра к высоте 1:2. Минимальный диаметр образца зависит от крупности фракций, содержащихся в грунте или материале. При максимальном размере зерен испытуемого грунта или материала до 5 мм принимают диаметр образца равным 60 мм; при размере зерен до 20 мм - диаметр образца 100 мм.

Образцы грунта, имеющие требуемую влажность и плотность, можно готовить в больших формах и затем из них специальным резаком вырезать цилиндр нужного диаметра и высоты или приготавливать образец с послойным уплотнением грунта в специальной разъемной форме требуемых диаметра и высоты.

На образцы связных грунтов и материалов после того, как они вынуты из формы или резака, надевают манжет из резины толщиной 0,2-0,3 мм. Диаметр манжет должен быть на 2-3 мм меньше образца. Образец с манжетом устанавливают и камеру прибора, после чего камеру закрывают и заполняют водой.

Рис. 33. Диаграмма Мора для суглинистого грунта при j = 22°, с = 0,07 МПа, W = 13,3 % и d = 1850 кг/м³

Образцы слабосвязных грунтов и материалов приготавливают в разъемной стальной форме, в которую предварительно вложен резиновый манжет, а также плитка, поддерживающая образец снизу. Уплотненный послойно до требуемой плотности образец вместе с формой помещают в камеру прибора, где в образце создается небольшой вакуум (около 100 мм рт. ст.). После удаления разъемной формы камеру закрывают и заполняют водой. Образцы испытывают при различных значениях бокового давления. Следует испытать при данных условиях испытания не менее трех образцов каждого грунта или материала одинаковой влажности и плотности при каждом значении бокового давления.

Все испытания проводят таким образом, чтобы плотность и влажность образцов в момент разрушения соответствовали расчетным значениям этих характеристик. С этой целью испытания ведут по закрытой системе. Допустимы испытания, как с постоянной скоростью нагружения, так и с постоянной скоростью деформирования. При испытаниях с постоянной скоростью нагружения вертикальную нагрузку на образец создают с помощью отрегулированной струи воды или равномерного насыпания дроби. Скорость нагружения - 0,01 - 0,02 МПа/мин при испытании грунтов и 0,02 - 0,04 МПа/мин при испытании материалов. В процессе нагружения через равные промежутки времени (1-2 мин) фиксируют вертикальные деформации образца. Нагружают до достижения интенсивного роста деформаций.

На основе результатов испытаний вычисляют скорость деформирования образца при различных вертикальных нагрузках и изображают полученные зависимости графически (рис. 34).

На начальной стадии нагружения скорость деформирования равномерно и сравнительно медленно возрастает по мере увеличения нагрузки. По после того, как нагрузка достигает определенного размера (разной при различном боковом обжатии), скорость деформирования резко увеличивается и наступает так называемое лавинное нарушение структуры. Эти точки соответствуют достижению предельного равновесия в образце по сдвигу при имеющемся боковом давлении. При испытаниях с постоянной скоростью деформирования регистрируют изменение нагрузки на образец во времени. За разрушающую принимают нагрузку, соответствующую деформации грунта, равной 1/10 высоты образца. Скорость деформирования 1-2 мм/мин. На основании полученных данных строят диаграмму Мора и обычным порядком определяют угол внутреннего трения и сцепление в грунте при данной влажности и плотности (см. рис. 33).

Мелкозернистые грунты испытывают на сдвиг в заданной плоскости обычно в виде цилиндрических образцов диаметром не менее 70 мм (F = 40 см²) и высотой 3-3,5 см, грунты и материалы, содержащие крупные включения, но не более 40 мм, - в формах размером до 30´30 см. Замена более крупных фракции допускается равным по массе количеством фракций от 10 до 40 мм. Образцы с данной влажностью и плотностью или приготавливают в большой форме и затем вырезают специальным резаком (мелкозернистые грунты), или готовят непосредственно в форме, имеющейся в приборе. Образцы испытывают при разных нормальных нагрузках. При каждом значении нормальных нагрузок необходимо испытать не менее трех образцов одинаковой влажности и плотности.

Рис. 34. Зависимость скорости деформирования V вертикальной нагрузки при испытании суглинистого грунта на приборе трехосного сжатия (пример):

Ñ - точка резкого увеличения скорости деформирования; W = 13,3% и d = 1850 кг/м³

Рис. 35. Диаграмма Кулона:

t - касательное напряжение; с - сцепление, МПа; j - угол внутреннего трения, град; s - удельная вертикальная нагрузка

Рис. 36. Зависимость скорости деформирования V от сдвигающих напряжений t при испытании на приборе плоского сдвига (пример):

р - удельная вертикальная нагрузка; V - точка резкого увеличения деформации сдвига

В целях обеспечения разрушения образца в виде сдвига (исключив явление отрыва) значение нормальных нагрузок необходимо выбирать так, чтобы экспериментальные точки на графике «нормальные напряжения - сопротивляемость сдвигу», располагались не выше луча, проведенного из начала координат под углом 45° к оси абсцисс (рис. 35). Экспериментальные точки, не отвечающие этому условию, при построении прямой t_n = s_ntgj_W + с_W в расчет не принимают (отбраковывают).

Максимальная нормальная нагрузка не должна существенно превышать напряжений в дорожной конструкции. Если прибор снабжен приспособлением для сдвига с постоянной скоростью деформирования, то испытывают со скоростью деформирования около 0,25-0,50 см/мин. На основе результатов отсчетов по динамометру, взятых через равные промежутки времени, устанавливают зависимость между сдвигающим напряжением и деформацией сдвига. Эта зависимость изображается графически, откуда получают значение максимального сопротивления сдвигу при данных условиях испытания (рис. 36).

Если прибор не имеет приспособления для обеспечения постоянной скорости деформирования, то сдвигающую нагрузку увеличивают с постоянной скоростью (нагружение струей воды). Одновременно фиксируют деформацию сдвига через рапные промежутки времени и по полученным данным строят зависимость скорости: деформирования от нагрузки. За сопротивление сдвигу применяют напряжение, соответствующее резкому увеличению скорости деформирования. Получив значения сопротивления сдвигу при разных вертикальных нагрузках, значения угла внутреннего трения и сцепления находят из уравнения Кулона t = c + stgj, путем графического построения (см. рис. 35).

ПРИЛОЖЕНИЕ 9